这台具有自主知识产权的国产显微镜，将大脑切片的成像速度提升了大概60倍。但是，我们最终还需要更加实用、可以用来导航的「大脑路线图」。为此，科学家又开发出一款类似连连看的游戏，邀请全社会的力量一起绘制出「大脑地图」…
出品：格致论道讲坛
以下内容为中国科学院深圳先进技术研究院脑认知与脑疾病研究所副研究员徐放演讲实录：
大家好，我是中国科学院深圳先进技术研究院的徐放，今天讨论的主题就关于我们自己的这颗大脑。
2023年年初科幻电影【流浪地球2】上映了。电影里刘德华扮演的是我未来的同事，中国科学院数字生命研究所脑机接口实验室的图恒宇。他的女儿因车祸收到重伤，于是他把女儿的意识上传到一块记忆卡里，用超级计算机重建了女儿的数字生命。
这样的科幻在未来有没有可能变成现实呢？事实上，真的有科学家在做这样的事情。
▲亨利·马克拉姆（Henry Markram）
早在2009年的时候，来自瑞士洛桑联邦理工学院的科学家亨利·马克拉姆（Henry Markram）就提出用超级计算机类比大脑。在他的推动下，欧洲启动了「人类大脑计划」（Human Brain Project）。
这个计划在2013年10月正式启动，调动了大约19个国家155个研究所的共500位科学家。他们奋斗了10年，花了6亿欧元左右，试图用超级计算机模拟人类的大脑。在2023年9月30号，这个项目正式结题。
在不久前，【自然】（Nature）杂志发表了一篇文章来评述人类大脑计划在这10周年里的成就和遇到的问题。同时，有很多媒体发出质疑，认为人类大脑计划并没有兑现它的承诺，并没有真的用超级计算机模拟出人脑。
为什么这样的大科学项目都没能解开人类大脑的奥秘呢？原因非常简单，就是因为我们的大脑实在是太复杂了。
▲图片来源：MTI
人的大脑里面大约有近千亿个神经细胞，每个细胞都具有复杂的结构。当我们思考时，这些神经细胞就会相互放电，形成连接网络。这个网络就承载了我们的神经信息，承载了我们的思维。
所以说，我们就需要为这些神经纤维及其连接绘制一张完整的大脑地图：知道信息在地图里怎么传递之后，才能够真正地模拟大脑。
花100年看清小鼠的神经元
大约100年前，人类就已经开始去绘制这样的大脑地图了。在19世纪80年代，西班牙科学家卡哈尔（Ramón y Cajal）就最早使用显微镜来绘制神经元形态。
▲左：神经细胞
右：神经网络
图源：Santiago Ramón y Cajal
神经元就像他绘制的图片里所展示的，除了一个球状的细胞体之外，还有非常丰富的、像树枝一样分叉的叫做树突的结构，这些结构用来从其他地方接收信息。它还有一根具有复杂分叉、而且更长的轴突，用来输出信息。轴突像一条道路一样，长度可能有10厘米，但是它的直径很小，只有1微米，长宽比能高达10万倍左右。
神经细胞总体的形状有点像从澳门到上海的一条公路，它有很多的分支，总体上非常细、非常长。
▲2013年，德国于利希研究所人脑切片成像
想要在全脑里面把这根神经元的路线图画出来非常难。欧洲科学家采取的办法是将捐献的大脑组织切片观察，一个人脑可能会被切成7000片左右。切片之后再通过传送带在上面染色，然后用显微镜拍照，最后得到一张张图片。
▲Amunts et al., Science 2013
这张图片展示了欧洲科学家的工作，照片在放大之后能看到模糊的神经细胞。相机成像的清晰度也非常低，只有10微米的精度，远远达不到要看清楚每一根轴突路线图所需的1微米精度。而且他们使用的染色方法也不能用来标记神经纤维，所以这种技术并不能用来给大脑画出精细的地图。
▲Li et al., Science 2010
真正看清这种全脑结构的研究中的一个里程碑式贡献，来自我国华中科技大学骆清铭教授的团队。他们在2010年提出了MOST小鼠全脑成像技术。
▲Li et al., Science 2010
他们先用树脂把一个完整的鼠脑包裹成琥珀一样，做得非常坚硬，再用更硬的钻石刀去切割它，这样就能够切出来厚度大约1微米的薄片。然后对刀刃上的这个薄片进行成像，这样就可以得到非常精细的神经元结构。
▲Li et al., Science 2010
通过这种成像得到的是像卫星图片一样的图片，我们还需要对里面的每根道路进行描绘。通过这种技术就可以去绘制里面的每一条道路，这是他们在10多年前绘制的一段一段的道路。
再后来，美国科学家也发明了一种新技术。他们用另外一种成像技术对整个小鼠的大脑进行扫描，每一只小鼠脑需要7-10天的扫描时间获得完整的全脑图像，然后科学家们就可以从这个鼠脑图像里绘制出一根根的神经纤维。他们大概做了接近100个小鼠的全脑图像，花了100×10天的时间，最后得到了1093个神经细胞的路线图。
在这之后，美国科学家跟我国科学家又进行了联合研究，重建了1741个鼠脑神经元，使这个数字又提高了一些。
最新的进展是，在2022年，中国科学院脑科学与类脑智能卓越研究中心的团队最终绘制出来6357个小鼠神经细胞。（注：2024年3月，他们刚刚又绘制了10000个细胞）
从小鼠到猕猴的难题
但是，一只小鼠大概有7000万个神经细胞。而我们最终想知道的，当然是人类这个更聪明的、跟我们自己最相关的大脑的信息，人脑有大约860亿个神经细胞。
人脑样品体积太大，比小鼠脑的体积大了3000多倍，而且用人类大脑做研究常常很不现实。所以我们需要找到另外一种折中的实验手段，借助一些与人类很相似的实验动物，比如猕猴。猕猴非常聪明，大脑里的神经细胞与人类的只相差10倍，是一种比较理想的实验动物。所以我们大约在2015年，也就是8年前，准备开始研究猴子的大脑。
与小鼠的脑相比，猴子的脑大了200多倍。原来需要7-10天才能拍一个小鼠的大脑，如果按这个时间同比例放大，就需要5年的时间才能拍完一只猕猴的脑，这显然是不可接受的。
既要看到大脑里微米精度的每一根纤维，还要在整个大脑的范围里去做绘制工作。我们当时就在想，是不是真的没有两全其美的方法了呢？
一个显而易见的问题带来的突破
后来突然有一天，我们团队的祝清源老师意识到了一个在传统成像里面经常被忽略的问题。它太显而易见了，导致大家一直都没有注意到。发现了这个问题之后，一切就变得柳暗花明起来。
▲传统成像方式
这个问题是什么呢？当我们要去拍一个很大的物体时，就像用手机去拍全景图一样，我们要先移动视野，一张一张地拍每一个小格，然后再把它们拼起来。
实际上，现在手机的成像速度已经非常快了，1秒钟的时间就能拍100张或者上千张图像，每一张相片只需要1毫秒的时间就可以拍出来。
但是如果我要移动样品，就必须要拍完一个视野之后再拍下一个视野，中间移动的距离涉及到机械样品的加速、匀速、再减速的过程，可能需要100毫秒。所以在拍摄过程中，有90%以上的时间就浪费在移动样品的过程中了。
那有没有可能一边运动一边成像呢？基于这个想法，我们设计出了我们自己的显微镜。
它有两个物镜，右边的照明物镜能够让光穿过去照到样品上，左边的成像物镜能获得样品上面的图像。这样就能够做到一边运动一边成像，完全消除切换视野带来的时间损失，成像速度就可以变得很快。
▲运动模糊
这时，我们遇到了新的问题。在拍一个运动物体时，它的运动速度越快，图像就越容易模糊。这是因为即使曝光的时间只有1毫秒，但是当它运动得非常快时，在这1毫秒的时间里面它也会移动一段距离，这样图片就会很模糊。
要解决这个问题，入手的关键跟我刚刚说的曝光这个词有关系。曝光是指相机芯片暴露在光里的时间。如果一张相片还是要用1毫秒的时间去拍，但是把光照的时间缩短到1微秒，变成它的1/1000，在这样短的时间里，样品的运动距离就会非常短，图像就不会模糊。
这就是我们设计的成像技术。我们凭借一根「光针」去扫描这个样品，这根光针所照之处的曝光时间就会非常短，样品上的每一个点都只被光照一次，完全杜绝了运动时图片模糊的问题。
▲速度2厘米/秒得到清晰图像
通过这种方法，即使是在运动较快的情况下，也能够得到非常清晰的图像。
有了成像的技术之后，我们面临的下一个问题是如何看清脑组织。
▲组织越厚，图像越模糊
生物样品是不透明的，比如说，我们观察皮肤的表面能看得比较清楚，但是要想看到里面的血管就非常难了。在厚度200~300微米以下，图像会变得非常模糊。
▲CLARITY小鼠全脑透明化技术
Chung et al., Nature 2013
为了看到大脑的细节，以前美国科学家用到的一种方法是把脑组织放到一种洗涤剂里面泡7天，把其中的脂肪全部溶解，只保留蛋白质成分。再把细胞里的水替换成一种和蛋白质折射率接近的溶液，就可以把整个鼠脑变成透明。
对于指尖大小的小鼠脑来说，这种方法是可行的，但是对于更大的猴脑甚至人脑来说，这就非常困难。
▲组织均匀包埋后振动切片
这个问题的解决办法也非常简单粗暴，就是把它先切片再透明。当把它切得比较薄，比如达到一毫米厚度的时候，看上去就会透明很多。
大家在生活中有没有注意过一个现象，一张纸本身是不透明的，但如果滴了一滴油在上面，它就会变得很透明。
这个原理是什么呢？原来纸之所以不透明，是因为纸里纤维素的间隙中含有一些空气。而油的折射率跟纤维素的折射率是一致的，当用油把空气挤出去之后，光再打到纸上面就会直直地穿过去，达到透明的效果。
▲组织透明化技术（PuClear）
我们处理大脑切片的方法也非常类似。生物组织之所以不透明，也是因为它的成分包括脂肪、蛋白质和水，它们的折射率各不相同。脑切片的厚度比较薄，我们不需要用到洗洁精那样剧烈的洗涤剂，而是可以用比洗手液更加温和的溶液去处理，然后再放到一种折射率跟细胞里的蛋白质等其他成分接近的溶液里面，大脑切片就会变得更透明了。变透明了之后，就可以对它做比较清晰的成像。
将成像速度提升60倍
已完成：60% //////
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用这样的方法，我们成像的速度就比较快。我们只需要把一个小鼠的脑切成大约50片，每一片大概耗时30秒就可以拍完，拍完整个小鼠脑我们只需要半个小时，而以前要7-10天，速度有了很大的提升。
这个视频就是用我们的显微镜实时成像的小鼠脑片，左边的是它的原始图，右边的是实时重建出来的大脑切片，可以看到大脑里面丰富的结构。这个视频的播放时间，就是每个切片实际的三维成像时间。
▲左：原始图像
右：大脑皮层神经细胞重建
如果我们放慢一点来播放，就可以看到从左边的原始图片上，右边的神经细胞是如何逐渐重建出来的。我们能看到实时重建出来的每一根神经细胞的精细分支，像树枝一样的结构就是我们前面提到的神经元树突。
▲小鼠全脑重建
这是我们用50张小鼠脑片先经过半个小时成像，再用计算机重建出来的整个大脑的结构，里面的每一个亮点都是一个神经细胞，这些线条就是联系神经细胞的神经纤维，神经细胞就通过这些线条去传递信息。
这些神经细胞聚集在一块儿的地方，就是一个脑区。视频里面的一个月牙形的区域就叫做海马体，它跟我们的学习记忆关系最为密切。下方一个比较亮的球叫做杏仁核，跟我们的情感有关系。这样重建之后，我们可以把整个脑子里面与大脑功能相关的这些细胞全部呈现出来。
，时长00:29
▲猕猴全脑重建
用同样的方法，我们就可以对猕猴的大脑成像。一个小鼠脑需要半个小时成像，猕猴的大脑是它的200多倍，我们只需要100个小时就能够获得一个猴脑的照片。
视频显示的这条彩色通道是从一个叫做丘脑的结构发出的，沿着这些轨迹传到大脑皮层。这条神经环路跟我们的决策功能关系最密切，而很多这样的高级认知功能只有在像猕猴这样的灵长类动物脑内才会比较突出，在小鼠脑里就很弱。所以我们只有通过猕猴，才能研究这些跟人类认知更相关的功能。
▲国产化显微镜
Hao Wang, Qingyuan Zhu, ..., Guo-Qiang Bi,
National Science Review 2019
我们把这个方法总结成了多维同步飞扫成像技术（Volumetric Imaging with Synchronized on-the-fly-scan and Readout），创建出来了具有自主知识产权的国产显微镜。
▲星际迷航（StarTrek）
这个显微镜的英文缩写叫做VISoR，致敬了科幻电影【星际迷航】里面神奇眼镜的名字。
▲Fang Xu, Yan Shen, Lufeng Ding,
Chao-Yu Yang, ... Guo-Qiang Bi,
Nature Biotechnology 2021
这个技术在2021年的时候发表在了【自然·生物技术】杂志的封面，跟前面提到的其他技术相比，成像速度得到了大概60倍的提升。
以前7-10天才能拍完一个小鼠脑，现在我们只需要半个小时。以前需要5年或者更久甚至没法实现的猴脑成像，现在我们只需要100个小时。
像玩游戏一样绘制大脑地图
已完成：80% ////////
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不过，像这样的成像技术拍到的图像，只是相当于卫星照片一样的地图。而我们最终需要的是一个更实用的、可以用来导航的路线图。
，时长00:42
这个路线图怎么画出来呢？我们需要用大约2亿多张这样的图片拼接成一个脑子，然后把里面的每一根线条描绘出来。
然后我们自己也开发了一款软件去大脑里面导航，沿着一根根亮亮的线条、也就是里面的神经纤维去逐渐勾勒出神经细胞。
这个过程非常漫长，因为即使是现在最好的人工智能算法，在遇到像两根纤维离得比较近或者有交叉的时候，就会像上图展示的那样，很难去解决。所以我们还是需要人力去把这样的纤维区分开。
这是最终我们重建出来的一根神经纤维。它漫长的分支线条在大脑里穿行，最后到达它的目的地。
这根神经纤维也就是我们刚刚提到的从丘脑到前额叶的一个神经细胞。在下决心做某件事情的时候，我们大脑里的神经细胞可能就会沿着这个路线放电，把这个信息输送到大脑皮层，让我们最终做出判断。做出决策是很难的，所以这些细胞也非常复杂。它的长度能达到几十厘米，但是直径却非常小。
我们绘制出来了6条这样的道路。但是整个猕猴的大脑有60亿个这样的细胞。
到目前为止，我们花了两三年的时间去一根一根丈量道路，截止现在，才绘制出来了600个这样的细胞。现在我们重建每一个细胞需要20个小时。而整个大脑有6亿个细胞，我们才绘制了10万分之一。
怎样才能够重建出来整个大脑呢？我们就想，能不能发动全社会的力量，一起来做这件事情。
▲大脑地图游戏
所以，我们现在正在做的工作，就是开发一个大脑地图绘制的游戏。希望有很多玩家一起参与，每个人都奉献出一点时间，一起来解开大脑的奥秘。
它的游戏的方式跟刚刚绘制地图的过程比较类似。这是我们用人工智能算法识别出来的亮点，玩家需要做的，就是把大脑里面处在同一根线条上的点联系起来，通过这种"连连看"的游戏方式，最终实现大脑地图的绘制。
最终如果绘制成功，我们也会把玩家亲手绘制出来的这些地图刻在水晶里面，送给他们。
时至今日，我经常回想我是怎么走上给大脑画地图这条道路的。
大约在10多年前，我还在读研究生，看到美国麻省理工学院承现峻（Sebastian Seung）教授的一个演讲。他当时也做了一个大脑地图绘制的游戏（EyeWire），但是他用的是很精细的电子显微镜图像，不能覆盖整个全脑，而只有一个小区域。
他当时指出，我们每个人之所以不一样，都是因为我们大脑里面每个人的地图都不同。我连接，故我在（I am my connectome）。我们每个人都有一幅独一无二的大脑地图。
他当时认为绘制人类大脑地图是人类历史上最重大的技术挑战之一，要求许多代人的共同努力才能完成。他觉得总有一天会有新的显微镜、会有更强大的人工智能技术去解开这些大脑的奥秘。他不知道能否实现，但他希望能在有生之年看到那一天。
后来我自己也加入到了这项挑战，我们开发了一款显微镜，开始去丈量大脑里每一条道路的路线图。现在我们已经看到了一些曙光，已经开始有几百个细胞了。
但是在未来，我们希望大家也一起来参与。欢迎大家关注我们、加入我们，一起解开这些大脑的奥秘。我们相信这一天会很快到来。
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